IF36.1｜QIScope：让活细胞生物发光成像突破灵敏度与视野限制

基于量子图像传感器的望远镜式显微镜，以更高分辨率、更大视野和动态范围实现活细胞生物发光成像。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

活细胞成像是生物学研究的基石，荧光成像因特异性标记、多色复用等优势成为主流，但激发光会带来光毒性、光漂白和高背景。生物发光利用化学能发光，无需激发光，可避免上述问题，但发光强度极低，限制了其应用。过去二十年，EMCCD相机凭借单光子探测能力成为弱光成像的金标准，但其像素大、传感器小，导致空间分辨率、视野和动态范围受限。近年来，sCMOS相机通过噪声抑制提升了分辨率、视野和动态范围，但在光子饥饿条件下仍不如EMCCD。量子图像传感器（QIS）作为新一代sCMOS技术，通过缩小像素和增加转换增益实现极低噪声的单光子探测，为生物发光成像带来了新的可能。

科学问题

卡在哪里： 尽管QIS相机灵敏度极高，但其传感器尺寸小、像素尺寸小，直接替换现有显微镜上的相机将导致光子通量极低和视野急剧缩小。此前缺乏专门针对QIS特性设计的显微镜光学系统，无法同时兼顾高灵敏度、高分辨率和大视野。

本文要回答： 本文旨在设计一种适配QIS相机的显微镜光学系统，在保持高灵敏度的同时，实现高空间分辨率、大视野和高动态范围，从而将生物发光成像推广到更具挑战性的活细胞实验。

技术路线

作者主要用了：QIS相机、Keplerian望远镜光学设计、EMCCD/sCMOS对比、MTF分析、Noise2Info/Noise2Noise去噪。

作者首先在相同光子通量条件下对比了QIS、EMCCD和sCMOS相机的信噪比，确认QIS的灵敏度优势。但QIS的小传感器尺寸要求重新设计光学系统。受Keplerian望远镜启发，作者在物镜和管镜之间插入一个望远镜系统，将图像缩小以匹配QIS传感器，同时保持大视野。该设计命名为QIScope。随后，作者将QIScope与商业化的LV200/EMCCD系统进行基准测试，比较视野、分辨率和信噪比，并在活细胞生物发光成像中验证其性能，包括细胞外囊泡、低丰度蛋白PINK1等动态过程。

图 1　Fig. 1。图1对比了QIS、EMCCD和sCMOS相机在相同光子通量下的成像质量。三维图（a-c）显示QIS的信噪比最高，荧光图像（d-f）也表明QIS在量子点标记的MEF上具有更清晰的细节。图g展示了三种相机的传感器尺寸对比，QIS的传感器面积远小于其他两者，这解释了为何需要专门的光学设计。

核心亮点

亮点 1｜QIS相机灵敏度远超EMCCD和sCMOS

在相同光子通量条件下，QIS相机的信噪比是EMCCD的约4.5倍，是sCMOS的近10倍。这一优势在荧光玻片和量子点标记的MEF细胞上均得到验证。然而，QIS的像素尺寸仅为EMCCD的1/210，传感器面积仅为sCMOS的1/10，若直接替换现有相机将导致光子通量极低和视野大幅缩小。因此，必须重新设计光学系统以充分发挥QIS的潜力。

图 2　Fig. 2。图2展示了QIScope与LV200/EMCCD的光学布局和性能对比。QIScope的视野（c）远大于LV200/EMCCD（b），分辨率测试靶（e-f）显示QIScope能分辨更细的线对，MTF曲线（g）定量证实了其分辨率优势。荧光玻片成像（h-i）表明QIScope的信噪比略高。

亮点 2｜望远镜式设计实现大视野与高分辨率

QIScope采用40×油浸物镜、20×物镜作为管镜，并在两者之间插入Keplerian望远镜，将有效放大倍数降至2.6×，使图像缩小以匹配QIS传感器。与LV200/EMCCD相比，QIScope的视野面积扩大了近13倍，空间分辨率提高了1.77倍（MTF分析），且信噪比提高了约31%。这一设计解决了QIS传感器尺寸小带来的视野限制，同时保持了高灵敏度。

图 3　Fig. 3。图3比较了LV200/EMCCD和QIScope对表达NLuc–CD63的MEF细胞的生物发光成像。低对比度下两者相似，但高对比度下QIScope能清晰显示细胞外囊泡的轨迹和小颗粒（f），而去噪后LV200/EMCCD图像（c）仍无法解析这些结构。强度剖面（d,h）显示QIScope的动态范围更大。

亮点 3｜活细胞生物发光成像揭示细胞外囊泡细节

在表达NLuc–CD63的MEF细胞中，QIScope能够清晰分辨细胞外囊泡（EV）的线性轨迹和小颗粒，而LV200/EMCCD即使在去噪后也无法解析这些结构。QIScope的动态范围是LV200/EMCCD的4.5倍，允许同时测量稀疏的细胞外信号和密集的细胞内信号。此外，QIScope的2秒曝光时间足以追踪EV的扩散动态，为活细胞EV研究提供了新工具。

图 4　Fig. 4。图4展示了QIScope的多模态成像能力。同一MEF细胞先进行NLuc–CD63生物发光成像（a-c），再进行MitoTracker Red荧光成像（d-e）。生物发光图像中可见细胞外囊泡（c中箭头），而荧光图像中相同位置无信号，表明这些囊泡不含线粒体。

亮点 4｜多模态成像与低丰度蛋白长时间监测

QIScope的望远镜设计为分束器留出空间，可集成落射荧光，实现生物发光与荧光的多模态成像。在Gamillus–NLuc融合蛋白的对比中，生物发光在低表达水平下仍能清晰成像，而荧光信号被背景淹没。此外，生物发光成像在1小时连续监测中未引起明显光毒性或光漂白，而荧光成像则导致细胞形态改变和信号衰减。利用QIScope，作者成功监测了PINK1–HiBiT/LgBiT在CCCP处理后从细胞质到线粒体的转位过程，持续时间超过18小时。

图 5　Fig. 5。图5对比了Gamillus–NLuc融合蛋白在不同dox浓度下的荧光和生物发光信号。荧光信号在低表达水平下被背景淹没（a-d），而生物发光信号在所有浓度下均清晰可见（e-h）。图i展示了PINK1–HiBiT/LgBiT细胞在CCCP处理后生物发光强度随时间的变化，表明PINK1在线粒体上的积累。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： QIS相机、Keplerian望远镜光学设计、EMCCD/sCMOS对比、MTF分析、Noise2Info/Noise2Noise去噪
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事活细胞成像、生物发光探针开发、细胞外囊泡研究以及低丰度蛋白动态分析的研究人员。

带走一句

QIScope证明，针对新型探测器重新设计光学系统可以突破传统显微镜的性能瓶颈。对于做活细胞成像的分析人员，这意味着生物发光数据质量大幅提升，可支持更精细的亚细胞结构分析和长时间动态追踪。